JP5321983B2 - 固定子、回転電機、および巻線方法 - Google Patents

Description

本発明は、固定子、回転電機、および巻線方法などに関する。

従来、複数本の線材を束として同時に巻線することが知られている（特許文献１参照）。これにより、モータの固定子に形成されるコイルの占積率を大きくすることで、モータのトルク性能を向上させることが可能である。

特開２００３−２０４６５９号公報

しかしながら、複数本の線材を束として同時に巻線する場合、1回転で形成される巻線が幅広くなってしまうため、単一の線材を巻線する場合に比べて、求められるコイルの断面形状に近づけることが困難となる場合がある。

そこで本発明は、求められるコイルの断面形状に近い、複数の層の巻線を形成することを可能とし、占積率を向上させた固定子、回転電機、および巻線方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、固定子コアに対して複数本の線材が複数の層に重ねて巻線されるとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線された固定子であって、前記複数本の線材が同一の層に並ぶように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される並列巻線部分と、前記並列巻線部分で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該複数本の線材が複数の層にまたがって巻線されるように形成される段違い巻線部分と、を含み、前記段違い巻線部分は、前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とが、１組となって、複数ターン巻回されており、かつ、前記並列巻線部分からの移行後において、前記下段線材が、前記移行前の前記並列巻線部分の前記同一の層と並びつつ当該並列巻線部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されるとともに、前記上段線材が、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されることを特徴とする固定子が適用される。
また、本発明の別の観点によれば、回転子と、固定子コアに対して複数本の線材が複数の層に重ねて巻線されるとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線された固定子と、を備えた回転電機であって、前記固定子は、前記複数本の線材が同一の層に並ぶように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される並列巻線部分と、前記並列巻線部分で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該複数本の線材が複数の層にまたがって巻線されるように形成される段違い巻線部分と、を含み、前記段違い巻線部分は、前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とが、１組となって、複数ターン巻回されており、かつ、前記並列巻線部分からの移行後において、前記下段線材が、前記移行前の前記並列巻線部分の前記同一の層と並びつつ当該並列巻線部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されるとともに、前記上段線材が、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されることを特徴とする回転電機が適用される。
さらに、本発明の別の観点によれば、固定子コアに対して複数本の線材を複数の層に重ねて巻線するとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線する巻線方法であって、前記複数本の線材を同一の層に並べるように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線する並列巻線工程と、前記並列巻線工程で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該前記複数本の線材を複数の層にまたがって巻線する段違い巻線工程と、を含み、前記段違い巻線工程は、前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とを、１組として、複数ターン巻回し、かつ、前記並列巻線工程からの移行後において、前記下段線材を、前記移行前の前記並列巻線工程での前記同一の層と並べつつ当該並列巻線工程で巻線した部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線するとともに、前記上段線材を、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線することを特徴とする巻線方法が適用される。

本発明によれば、求められるコイルの断面形状に近い、複数の層の巻線を形成することを可能とし、占積率を向上させた固定子、回転電機、および巻線方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係るモータ断面図である。 本発明の第１実施形態に係るモータコアの断面図である。 一般的な巻線を行ったモータコアの側面図である。 本発明の第１実施形態に係る巻線を行ったモータコアの側面図である。 本発明の第２実施形態に係る巻線を行ったモータコアの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の回転電機の一例であるモータの断面図である。固定子１は、固定子コア1bのまわりに、線材の一例としてのコイル1aが巻線されたものである。固定子１はフレーム1cによって固定されている。固定子コア1bは円環状に一体で形成されているものと、複数個に分割されたコアを円環状に組み合わせて用いる分割コアとがある。一方、回転子2は、シャフト2aに回転子コア2bとマグネット2cが付与された構造であり、回転子2は固定子1とベアリング3を介して回転する。
すなわち、このモータは、回転子２と、固定子コア１ｂに対して複数本の線材１ａが複数の層に重ねて巻線された固定子１と、を備えた回転電機であって、後述するように、複数本の線材が同一の層に並んで巻線された並列巻線部分と、複数本の線材が複数の層にまたがって巻線された段違い巻線部分と、を含んでいる。

図２はフレーム1cを除いた固定子1の断面を模式的に表したものである。ただし、本図は分割コアを例に挙げている。分割コアではコイル1aとコア1bが円環状に組み立てられるため、コイル1aが巻線される空間の断面は、長方形ではなく、台形もしくはそれに近い形状となる。このため、巻線可能なコア1bの空間はモータの内周側でより狭くなり、コイル1aの巻き数はモータの外周側でより多くなる。

図３に一般的な2本のコイル1aを束として同時に巻線する方法で巻線された、分割コアのひとつのスロットを示す。2本の線材を束として同時に巻線する場合、線材101,102から線材103,104というように、最下層の第1層目を2本ずつ巻線し（並列巻線工程）、端まで到達すると第2層目へと段を上がる。このとき、前段でのべたようにモータの内周側では巻線可能な領域が狭く線材の収まりが悪くなる場合がある。この場合、線材105,106で示すように、第1層目の複数の線材を横切る形で第2層目のはじめの線材を巻線し、より広い領域が存在するモータの外周側へ移動し巻線する。図３の例では、同様の方法で線材107,108が第3層目から第4層目へ、線材119,120で第5層目から第6層目へそれぞれ段を上がり、6層の線材でコイルを形成している。段を上がる際に下層の複数の線材を大きく横切った線材は、断面図でみてわかる通り、コイル1aを収める台形領域の稜線と最も接近する。図３の例では、第3層目、第5層目にこれ以上巻線をすると、段を上がる線材107,119が台形領域に収まらないため、空間に余裕があるにもかかわらず、上段へ段を上がっている。

図３で示した線材に、本発明の巻線方法を実施した場合のコイル1aを図４に示す。本図では、第1層目から題4層目への段上がりまでは、図３で示したものと同様の巻線をし（並列巻線工程）、第4層目と第5層目の形成方法が本発明にかかるところである。第4層目と第5層目の形成方法を詳しく説明する。第4層目への段上がりを線材107,108で巻線したのち、通常通り第4層目への巻線を2ターン行う（並列巻線工程）。次に、線材109,110を巻線するが、このとき線材109をすでに形成されている、第4層目の上の第5層目に巻線し、線材110を通常通り第4層目へと巻線する（段違い巻線工程）。その後は、線材109、110と同様に、同時に巻線する2本の線材の1本を第5層目として巻線し（線材111、113、115）、残りの1本を第4層目へ巻線する（線材112、114、116）。このように1ターンで複数段を同時に巻線することで、下層の線材を横切るような段上がりをすることなく、第5層目を巻線することができ、また、第5層目により多くのコイル1aを巻線することができる。図４の例では、6段目へさらに1ターン分巻線が可能となり、占積率が向上する。

また、図４では、第4層目と第5層目を同時に巻線する例を示したが、同様の方法は、第2層目と第3層目など、他の層を巻線する場合でも適用が可能で、通常の段上がりと自由に組み合わせることができる。
＜第２実施形態＞

モータの巻線では、図３で示したように、はじめに巻線する線材101,102と最後に巻線する線材119,120は、モータを組んだ場合の外周側に位置する。このような、線材の巻きはじめ、巻き終わりの位置は、モータの設計上変更が困難な場合が多い。図３のように、モータの外周側の同じ位置に線材のはじめ、終わりがある場合では、従来の段上がり方法のみを適用すると、巻線可能な段数は常に偶数段となり、スペースに余裕があったとしても、次の層を形成できない場合がある。図5に本発明にかかる段違い巻線工法を適用し、奇数段（3層）の巻線をした固定子コイル1aの断面図を示す。図5の場合、線材121,122より巻線をはじめ、通常の段上がりで第2層目途中までを形成し（並列巻線工法）、線材123,124より第2層目と第3層目を同時に形成する（段違い巻線工法）。このように図5の例では、複数の層を同時に巻線することで、奇数段の巻線ができ占積率を大幅に向上できる。

本発明の段違い巻線工法と通常の段上がりとを組み合わせることで、巻線の層の数を偶数、奇数のいずれにも対応することができ、それぞれの固定子コア1bに適した巻線方法を自由に選択できる。
したがって、複数の線材を束として同時に巻線するモータの固定子1において、複数の層にまたがる段上がりの線材を収まりよく巻線する方法を提供し、占積率を向上し、モータのトルク特性を高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、上記実施形態から適宜変更が可能であり、また、上記実施形態と変更例による手法を適宜組み合わせて利用することも可能である。すなわち、このような変更等が施された技術であっても、本発明の技術的範囲に含まれることは言うまでもない

例えば、上記実施形態では、2本の線材の束を同時に巻線する場合を例に説明したが、同時に巻線する線材の束が3本、4本と増加したとしても基本的な考え方は同一で、1ターンで複数の層に渡ってコイル1aを形成することで、コイル形状の自由度が広がり、それぞれの固定子コア1bに適した巻線を実現し、占積率を向上させることができる。

１ 固定子
１a コイル
１b 固定子コア
１c フレーム
２ 回転子
２a シャフト
２b 回転子コア
２c マグネット
３ ベアリング

Claims (3)

1. 固定子コアに対して複数本の線材が複数の層に重ねて巻線されるとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線された固定子であって、
   前記複数本の線材が同一の層に並ぶように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される並列巻線部分と、
   前記並列巻線部分で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該複数本の線材が複数の層にまたがって巻線されるように形成される段違い巻線部分と、
   を含み、
   前記段違い巻線部分は、
   前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とが、１組となって、複数ターン巻回されており、かつ、前記並列巻線部分からの移行後において、
   前記下段線材が、前記移行前の前記並列巻線部分の前記同一の層と並びつつ当該並列巻線部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されるとともに、
   前記上段線材が、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される
   ことを特徴とする固定子。
2. 回転子と、
   固定子コアに対して複数本の線材が複数の層に重ねて巻線されるとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線された固定子と、
   を備えた回転電機であって、
   前記固定子は、
   前記複数本の線材が同一の層に並ぶように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される並列巻線部分と、
   前記並列巻線部分で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該複数本の線材が複数の層にまたがって巻線されるように形成される段違い巻線部分と、
   を含み、
   前記段違い巻線部分は、
   前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とが、１組となって、複数ターン巻回されており、かつ、前記並列巻線部分からの移行後において、
   前記下段線材が、前記移行前の前記並列巻線部分の前記同一の層と並びつつ当該並列巻線部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線されるとともに、
   前記上段線材が、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線される
   ことを特徴とする回転電機。
3. 固定子コアに対して複数本の線材を複数の層に重ねて巻線するとともに、前記複数の層の層数が前記固定子コアの軸線方向に沿って一方側へと順次増えるように巻線する巻線方法であって、
   前記複数本の線材を同一の層に並べるように、前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線する並列巻線工程と、
   前記並列巻線工程で巻線された前記複数本の線材の、未だ巻線されていない部位を用いて、当該前記複数本の線材を複数の層にまたがって巻線する段違い巻線工程と、
   を含み、
   前記段違い巻線工程は、
   前記軸方向に直交する径方向に沿って下段に位置する１つの下段線材と、前記径方向に沿って上段に位置し前記下段線材との前記軸方向及び前記径方向における相対位置関係が一定となる１つの上段線材とを、１組として、複数ターン巻回し、かつ、前記並列巻線工程からの移行後において、
   前記下段線材を、前記移行前の前記並列巻線工程での前記同一の層と並べつつ当該並列巻線工程で巻線した部分の前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線するとともに、
   前記上段線材を、当該下段線材の位置する層よりも前記径方向に沿った上段において前記軸線方向に沿った前記一方側へ順次巻線する
   ことを特徴とする巻線方法。
   

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